Freie Universiẗat, Diss., 2004--Berlin. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Este trabalho foi realizado com o objetivo de isolar e identificar os alcalóides presentes nas espécies H. vittatum e H. striatum, analisar a atividade antitumoral, inibidora da enzima acetilcolinesterase, antioxidante dos extratos e alcalóides obtidos, realizar ensaio de toxicidade para o alcalóide montanina, bem como observar sua atividade em pesquisa básica do comportamento em roedores e verificar comparativamente a modulação da montanina e da galantamina sobre a via de sinalização das proteínas quinases pRaf/pMEK/pERK/pCREB. Método: Fitoquímico: As partes aéreas e subterrâneas das espécies coletadas foram maceradas em etanol e processadas em extração ácido-base para a obtenção dos extratos diclorometano e n-BuOH. Os alcalóides isolados foram identificados com a utilização de métodos cromatográficos, espectrométricos e espectroscópicos. Testes in vitro: Atividade antitumoral: Os extratos e alcalóides obtidos foram avaliados em método in vitro, onde se aplicaram células tumorais biopsiadas de humanos. Inibição da enzima acetilcolinesterase: Os compostos isolados, montanina (Hv1 e Hv2), vitatina (Hv4), pancracina (Hv5) e Hv6 de H. vittatum e a galantamina foram testados em ensaio de bioautografia por cromatografia em camada delgada (CCD) com 1-naftil acetato. Atividade antioxidante: Os compostos anteriormente citados foram testados pelo método que utiliza o difenilpicrilhidrazol (DPPH) em CCD. Testes in vivo: Toxicidade da montanina (24 horas): A montanina foi administrada com doses de 10 a 100 mg/kg i.p. em camundongos e a toxicidade observada por 24 horas comparando-se aos grupos controle. A dose letal mediana foi calculada com método dos probitos. Avaliação da atividade central da montanina: Foram realizados experimentos com camundongos machos em Campo Aberto (CA), Nado Forçado (NF), Labirinto em Cruz Elevado (LCE), Indução do Sono por Pentobarbital (ISP) e sobre a consolidação da memória em ratos (esquiva inibitória passiva). Análise bioquímica da via das MAPKs: Aplicou-se metodologia in vitro em homogenatos (fatias hipocampais) tratados com os alcalóides montanina ou galantamina. A obtenção dos resultados ocorreu a partir da realização de eletroforese de alta voltagem e “Western Blot”. Resultados e Conclusões: A partir dos extratos de alcalóides totais de H. vittatum foram isoladas cinco substâncias: (a) Hv1 (montanina – 0,007%) isolado do extrato diclorometano de folhas, (b) Hv2 (montanina – 0,09%), (c) Hv3 (licorina 0,003%) e (d) Hv4 (vitatina – 0,0003%), isolados do extrato diclorometano de bulbos. Do extrato n-BuOH dos bulbos foram isolados o alcalóide Hv5 (pancracina – 0,0025%) e o composto Hv6 (0,0034%). Da espécie H. striatum foi isolado o alcalóide licorina (Hs3) e dois compostos não identificados (Hs1 e Hs3). O alcalóide vitatina demonstrou inibir moderadamente o crescimento das células tumorais com os valores de IC50 ≤ 29 g/ml. A montanina apresentou o maior efeito antiproliferativo entre os produtos testados. Os valores de IC50 foram menores que 1,0 g/ml para as linhagens testadas. Os extratos diclorometano e n-BuOH de H. vittatum foram considerados antiproliferativos para as células tumorais humanas empregadas, com valores de absorvância 25% menores que o controle. Para as atividades inibidoras da enzima acetilcolinesterase e antioxidante, somente o composto Hv6 apresentou ação. A dose letal mediana para a montanina em camundongos machos foi calculada em 64 mg/kg i.p. A montanina não alterou a locomoção e a atividade exploratória de camundongos quando administrada pela via intraperitoneal (i.p.) nas doses de 10 e 30 mg/kg (CA). Na avaliação da atividade central da montanina administrada por via i.p., observamos atividade ansiolítica (0,1; 1,0; 3,0 mg/kg – LCE), antidepressiva (3,0 mg/kg - NF) e tendência para atividade hipnótica (ISP). No paradigma de memória de esquiva inibitória passiva, a montanina não alterou significativamente o comportamento dos ratos wistar, na via de administração e nas doses testadas. Na investigação comparativa da modulação da via de sinalização das MAPKs (envolvidas com a memória) em fatias hipocampais tratadas (ratos), concluiu-se que a montanina e a galantamina aumentam a fosforilação (atividade) das proteínas testadas. Os resultados obtidos para a galantamina sugerem um possível mecanismo de ação que explique bioquimicamente uma de suas ações que contribuem para a melhora da memória em ratos na esquiva inibitória.

Este trabalho foi realizado com o objetivo de isolar e identificar os alcalóides presentes nas espécies H. vittatum e H. striatum, analisar a atividade antitumoral, inibidora da enzima acetilcolinesterase, antioxidante dos extratos e alcalóides obtidos, realizar ensaio de toxicidade para o alcalóide montanina, bem como observar sua atividade em pesquisa básica do comportamento em roedores e verificar comparativamente a modulação da montanina e da galantamina sobre a via de sinalização das proteínas quinases pRaf/pMEK/pERK/pCREB. Método: Fitoquímico: As partes aéreas e subterrâneas das espécies coletadas foram maceradas em etanol e processadas em extração ácido-base para a obtenção dos extratos diclorometano e n-BuOH. Os alcalóides isolados foram identificados com a utilização de métodos cromatográficos, espectrométricos e espectroscópicos. Testes in vitro: Atividade antitumoral: Os extratos e alcalóides obtidos foram avaliados em método in vitro, onde se aplicaram células tumorais biopsiadas de humanos. Inibição da enzima acetilcolinesterase: Os compostos isolados, montanina (Hv1 e Hv2), vitatina (Hv4), pancracina (Hv5) e Hv6 de H. vittatum e a galantamina foram testados em ensaio de bioautografia por cromatografia em camada delgada (CCD) com 1-naftil acetato. Atividade antioxidante: Os compostos anteriormente citados foram testados pelo método que utiliza o difenilpicrilhidrazol (DPPH) em CCD. Testes in vivo: Toxicidade da montanina (24 horas): A montanina foi administrada com doses de 10 a 100 mg/kg i.p. em camundongos e a toxicidade observada por 24 horas comparando-se aos grupos controle. A dose letal mediana foi calculada com método dos probitos. Avaliação da atividade central da montanina: Foram realizados experimentos com camundongos machos em Campo Aberto (CA), Nado Forçado (NF), Labirinto em Cruz Elevado (LCE), Indução do Sono por Pentobarbital (ISP) e sobre a consolidação da memória em ratos (esquiva inibitória passiva). Análise bioquímica da via das MAPKs: Aplicou-se metodologia in vitro em homogenatos (fatias hipocampais) tratados com os alcalóides montanina ou galantamina. A obtenção dos resultados ocorreu a partir da realização de eletroforese de alta voltagem e “Western Blot”. Resultados e Conclusões: A partir dos extratos de alcalóides totais de H. vittatum foram isoladas cinco substâncias: (a) Hv1 (montanina – 0,007%) isolado do extrato diclorometano de folhas, (b) Hv2 (montanina – 0,09%), (c) Hv3 (licorina 0,003%) e (d) Hv4 (vitatina – 0,0003%), isolados do extrato diclorometano de bulbos. Do extrato n-BuOH dos bulbos foram isolados o alcalóide Hv5 (pancracina – 0,0025%) e o composto Hv6 (0,0034%). Da espécie H. striatum foi isolado o alcalóide licorina (Hs3) e dois compostos não identificados (Hs1 e Hs3). O alcalóide vitatina demonstrou inibir moderadamente o crescimento das células tumorais com os valores de IC50 ≤ 29 g/ml. A montanina apresentou o maior efeito antiproliferativo entre os produtos testados. Os valores de IC50 foram menores que 1,0 g/ml para as linhagens testadas. Os extratos diclorometano e n-BuOH de H. vittatum foram considerados antiproliferativos para as células tumorais humanas empregadas, com valores de absorvância 25% menores que o controle. Para as atividades inibidoras da enzima acetilcolinesterase e antioxidante, somente o composto Hv6 apresentou ação. A dose letal mediana para a montanina em camundongos machos foi calculada em 64 mg/kg i.p. A montanina não alterou a locomoção e a atividade exploratória de camundongos quando administrada pela via intraperitoneal (i.p.) nas doses de 10 e 30 mg/kg (CA). Na avaliação da atividade central da montanina administrada por via i.p., observamos atividade ansiolítica (0,1; 1,0; 3,0 mg/kg – LCE), antidepressiva (3,0 mg/kg - NF) e tendência para atividade hipnótica (ISP). No paradigma de memória de esquiva inibitória passiva, a montanina não alterou significativamente o comportamento dos ratos wistar, na via de administração e nas doses testadas. Na investigação comparativa da modulação da via de sinalização das MAPKs (envolvidas com a memória) em fatias hipocampais tratadas (ratos), concluiu-se que a montanina e a galantamina aumentam a fosforilação (atividade) das proteínas testadas. Os resultados obtidos para a galantamina sugerem um possível mecanismo de ação que explique bioquimicamente uma de suas ações que contribuem para a melhora da memória em ratos na esquiva inibitória.

nÃo hà / O etanol tem influÃncia sobre diversos sistemas de neurotransmissores. VÃrios estudos tÃm relatado a interaÃÃo entre a via dopaminÃrgica e colinÃrgica e a interaÃÃo delas isoladamente com os efeitos do etanol. O bloqueador colinÃrgico atropina, que à um alcalÃide muito utilizado no caso de intoxicaÃÃes colinÃrgica e comprometimento cardÃaco e o haloperidol, à neurolÃptico, antagonista das vias dopaminÃrgicas, principalmente pelo bloqueio do receptor D2, utilizado no tratamento da esquizofrenia, tanto na fase aguda como crÃnica, psicoses e episÃdios manÃacos psicÃticos sÃo fÃrmacos utilizados para o estudo desses sistemas. Este trabalho objetivou estudar os efeitos comportamentais e neuroquÃmicas produzidos em corpo estriado induzidos pelo tratamento subcrÃnico com etanol na presenÃa e ausÃncia de atropina ou haloperidol. Foram utilizados camundongos Swiss, fÃmeas, com peso variando entre 25 â 30g. Os animais foram tratados com Ãgua destilada (controle), etanol (1 ou 3g/kg, v.o) ou prà tratados com haloperidol (0,5mg/kg, i.p) ou atropina (0,5mg/kg, i.p), essa aplicaÃÃo foi feita trinta minutos antes da administraÃÃo do etanol ou Ãgua destilada diariamente durante sete dias.Trinta minutos apÃs a Ãltima administraÃÃo das drogas por via intraperitoneal ou sessenta minutos apÃs a Ãltima administraÃÃo por via oral, os animais foram submetidos aos testes comportamentais de campo aberto e rota rod (atividade locomotora), placa perfurada e plus maze (atividade de ansiedade) e, posteriormente, sacrificados com dissecaÃÃo do corpo estriado para determinaÃÃo dos nÃveis de monoaminas (norepinefrina, dopamina e seu metabÃlico Ãcido 3, 4-dihidroxifenilacÃtico) e a atividade da acetilcolinesterase. O etanol apresentou efeito estimulante na menor dose e depressor na maior dose, principalmente nos testes de atividade locomotora. Quando associado à maior dose, o haloperidol apresentou, na maioria das vezes o efeito potencializador do etanol, jà a atropina apenas em alguns testes mostrou uma tendÃncia de reversÃo desse efeito apenas associado ao etanol na menor dose, embora nÃo observado em todos os paramentos avaliados. AlÃm disso, o efeito produziu um discreto aumento nos nÃveis de dopamina no corpo estriado, porÃm quando associado aos bloqueadores, houve reduÃÃo desses nÃveis, sendo mais acentuada quando essa associaÃÃo foi feita com o etanol na maior dose. Na avaliaÃÃo da atividade da enzima acetilcolinesterase, todas as substÃncias utilizadas associadas ou nÃo, provocaram a reduÃÃo de mais de 60% na atividade desta enzima, sendo mais evidente na administraÃÃo isolada de atropina, ou seja, as administraÃÃes que apresentaram reduÃÃo significativa da concentraÃÃo de DA, apresentaram tambÃm a atividade da AchE reduzida, evidenciando a interaÃÃo desses dois sistemas, sugerindo-os como possÃveis alvos de aÃÃo no desenvolvimento de medicamento que coadjuvem no tratamento do alcoolismo / Ethanol is an agent with nonspecific action, which may interfere in various neurotransmitter systems. Atropine is an alkaloid with blocking action of the cholinergic system, used in cholinergic intoxication and other with cardiac involvement. The neuroleptic, haloperidol, is an antagonist of dopaminergic pathways, mainly by blocking the D2 receptor, used in the treatment of schizophrenia in both acute and chronic psychoses and maniac psychotic episodes. Several studies have reported the interaction between the dopaminergic and cholinergic pathway and their interaction separately with the ethanol. This study investigated the behavioral and neurochemical effects produced in the striatum induced by subchronic treatment with ethanol in presence and absence of atropine or haloperidol. Swiss mice were used, females, weighing between 25 - 30g. The animals were treated with distilled water (control), ethanol (1 or 3g/kg, po) or pre-treated with haloperidol (0.5 mg / kg, ip) or atropine (0.5 mg / kg, ip), this application was thirty minutes before administration of ethanol or distilled water daily for seven days. Thirty minutes after the last drug administration intraperitoneally or sixty minutes after the last oral administration, the animals were subjected to behavioral tests of open field and track rod (locomotors activity), hole board and plus maze (anxiety activity) and then sacrificed with dissection of the striatum for determination of monoamines (norepinephrine, dopamine and its metabolic acid 3, 4-dihydroxyphenylacetic) or the concentration of acetylcholinesterase. Ethanol showed a stimulating effect in depressing the lower dose and higher dose, especially in tests of locomotors activity. When associated with a higher dose, haloperidol showed, in most cases the potentiating effect of ethanol, since atropine in some tests only showed a tendency to reverse this effect only associated with ethanol at the lowest dose, although not observed in all parameters of evaluated. However, the effect produced a modest increase in the concentrations of dopamine in the striatum, but when associated with blockers, a reduction of these levels was more pronounced when the association was made with ethanol at the highest dose. In the evaluation of the enzyme acetylcholinesterase, all substances used, combined or not, reduced more than 60% levels this enzyme, being more evident in the administration of atropine alone, or the authorities which showed a significant reduction in the concentration of AD, also showed reduced AChE, showing the interaction of these two systems, suggesting them as possible targets of action of drug development which contribute to the treatment of alcoholism

Este trabalho foi realizado com o objetivo de isolar e identificar os alcalóides presentes nas espécies H. vittatum e H. striatum, analisar a atividade antitumoral, inibidora da enzima acetilcolinesterase, antioxidante dos extratos e alcalóides obtidos, realizar ensaio de toxicidade para o alcalóide montanina, bem como observar sua atividade em pesquisa básica do comportamento em roedores e verificar comparativamente a modulação da montanina e da galantamina sobre a via de sinalização das proteínas quinases pRaf/pMEK/pERK/pCREB. Método: Fitoquímico: As partes aéreas e subterrâneas das espécies coletadas foram maceradas em etanol e processadas em extração ácido-base para a obtenção dos extratos diclorometano e n-BuOH. Os alcalóides isolados foram identificados com a utilização de métodos cromatográficos, espectrométricos e espectroscópicos. Testes in vitro: Atividade antitumoral: Os extratos e alcalóides obtidos foram avaliados em método in vitro, onde se aplicaram células tumorais biopsiadas de humanos. Inibição da enzima acetilcolinesterase: Os compostos isolados, montanina (Hv1 e Hv2), vitatina (Hv4), pancracina (Hv5) e Hv6 de H. vittatum e a galantamina foram testados em ensaio de bioautografia por cromatografia em camada delgada (CCD) com 1-naftil acetato. Atividade antioxidante: Os compostos anteriormente citados foram testados pelo método que utiliza o difenilpicrilhidrazol (DPPH) em CCD. Testes in vivo: Toxicidade da montanina (24 horas): A montanina foi administrada com doses de 10 a 100 mg/kg i.p. em camundongos e a toxicidade observada por 24 horas comparando-se aos grupos controle. A dose letal mediana foi calculada com método dos probitos. Avaliação da atividade central da montanina: Foram realizados experimentos com camundongos machos em Campo Aberto (CA), Nado Forçado (NF), Labirinto em Cruz Elevado (LCE), Indução do Sono por Pentobarbital (ISP) e sobre a consolidação da memória em ratos (esquiva inibitória passiva). Análise bioquímica da via das MAPKs: Aplicou-se metodologia in vitro em homogenatos (fatias hipocampais) tratados com os alcalóides montanina ou galantamina. A obtenção dos resultados ocorreu a partir da realização de eletroforese de alta voltagem e “Western Blot”. Resultados e Conclusões: A partir dos extratos de alcalóides totais de H. vittatum foram isoladas cinco substâncias: (a) Hv1 (montanina – 0,007%) isolado do extrato diclorometano de folhas, (b) Hv2 (montanina – 0,09%), (c) Hv3 (licorina 0,003%) e (d) Hv4 (vitatina – 0,0003%), isolados do extrato diclorometano de bulbos. Do extrato n-BuOH dos bulbos foram isolados o alcalóide Hv5 (pancracina – 0,0025%) e o composto Hv6 (0,0034%). Da espécie H. striatum foi isolado o alcalóide licorina (Hs3) e dois compostos não identificados (Hs1 e Hs3). O alcalóide vitatina demonstrou inibir moderadamente o crescimento das células tumorais com os valores de IC50 ≤ 29 g/ml. A montanina apresentou o maior efeito antiproliferativo entre os produtos testados. Os valores de IC50 foram menores que 1,0 g/ml para as linhagens testadas. Os extratos diclorometano e n-BuOH de H. vittatum foram considerados antiproliferativos para as células tumorais humanas empregadas, com valores de absorvância 25% menores que o controle. Para as atividades inibidoras da enzima acetilcolinesterase e antioxidante, somente o composto Hv6 apresentou ação. A dose letal mediana para a montanina em camundongos machos foi calculada em 64 mg/kg i.p. A montanina não alterou a locomoção e a atividade exploratória de camundongos quando administrada pela via intraperitoneal (i.p.) nas doses de 10 e 30 mg/kg (CA). Na avaliação da atividade central da montanina administrada por via i.p., observamos atividade ansiolítica (0,1; 1,0; 3,0 mg/kg – LCE), antidepressiva (3,0 mg/kg - NF) e tendência para atividade hipnótica (ISP). No paradigma de memória de esquiva inibitória passiva, a montanina não alterou significativamente o comportamento dos ratos wistar, na via de administração e nas doses testadas. Na investigação comparativa da modulação da via de sinalização das MAPKs (envolvidas com a memória) em fatias hipocampais tratadas (ratos), concluiu-se que a montanina e a galantamina aumentam a fosforilação (atividade) das proteínas testadas. Os resultados obtidos para a galantamina sugerem um possível mecanismo de ação que explique bioquimicamente uma de suas ações que contribuem para a melhora da memória em ratos na esquiva inibitória.

The basal ganglia (BG) are a group of nuclei in the basal forebrain critical in movement, goal directed behaviour and action selection. Cortical projections to the largest BG nucleus, the striatum, are highly important in theories of BG function. Therefore, we have investigated the role of striatal neurons in modulating the activity of corticostriatal synapses. In an in-vitro preparation of rodent brain slices, we conducted whole-cell patch clamp recordings of single and pairs of striatal neurons and recorded responses of medium spiny neurons (MSNs) to stimulation of corticostriatal fibres. In the presence of opioid, GABAA, NK1 and cholinergic receptor antagonists, antidromic stimulation of a population of MSNs (5 stims, 50 Hz) caused suppression of subsequently evoked EPSPs in MSNs. This suppression was dependent upon the interval between antidromic MSN stimulation and the stimulation of evoked EPSPs; suppression was larger at 500 ms intervals than at 1 or 2 s intervals. These effects were completely blocked by the GABAB antagonist CGP 52432. Bursts of evoked action potentials (5 APs, 50 Hz) in a single MSN were insufficient to cause these effects in a nearby MSN. Similar spikes in single fast spiking interneurons and low threshold spiking interneurons (LTSIs) were also insufficient. Conversely, single neurogliaform interneurons (NGFIs) could suppress evoked EPSPs in nearby MSNs in a GABAB-dependent manner. This suppression was more likely in NGFI-MSN pairs that exhibited direct GABAergic interactions. We also tested long depolarisations in LTSIs, a protocol that preferentially releases NO, which was shown to suppress evoked EPSPs through a non-GABAergic mechanism. Finally, we tested the application of exogenous NPY to slices, which also inhibited corticostriatal transmission. These results provide the first demonstration of how GABAB receptors at corticostriatal synapses are activated by endogenous GABA released by striatal neurons. They also reveal novel mechanisms through which striatal factors influence these synapses.

Animals must respond to external cues and changes in internal state by modifying their behavior. The basal ganglia are a collection of subcortical nuclei that contribute to action selection by integrating sensorimotor, limbic and reward information to control motor output. In early life, however, animals display distinct behavioral responses to risk and reward and enhanced vulnerability to neuropsychiatric disease. This arises from the postnatal maturation of brain structures such as the striatum, the main input nucleus of the basal ganglia. Here, using biochemical, electrophysiological and behavioral approaches in transgenic mice, I have explored the molecular and circuit mechanisms that control striatal maturation. In Chapter 1, I begin by reviewing the structure, physiology and function of the basal ganglia, with an emphasis on the striatum. I then describe the existing literature on the development and maturation of striatal neurons and their afferents. In Chapter 2, I review the molecular mechanisms of macroautophagy, a lysosomal degradation pathway that has recently been implicated in the regulation of neurotransmission, including its contribution to neuronal development, neurotransmitter release, and postsynaptic function. The subsequent chapters can be split into two themes. In the first, encompassing chapters 3 and 4, I characterize the postnatal maturation of striatal physiology and define circuit mechanisms that control this process. In Chapter 3, I demonstrate that dopamine (DA) neurotransmission in the striatum initiates the maturation of striatal projection neuron (SPN) intrinsic excitability. I show that DA signaling leads to the maturation of SPN excitability via increased activity of the potassium channel, Kir2. Interestingly, introduction of DA beginning in adulthood could not rescue SPN hyperexcitability while it could during the juvenile period. In Chapter 4, I characterize the maturation of cholinergic interneurons (ChIs) in the striatum and describe the biophysical mechanisms that drive increases in spontaneous activity that occur in ChIs during postnatal development. Finally, I show that the functional maturation of ChIs leads to changes in DA release during the postnatal period. The second theme includes Chapters 5 and 6, in which I explore the role of macroautophagy in striatal function and development. In chapter 5, I used biochemical approaches to show that autophagic flux is suppressed postnatally in the striatum due to increased signaling through the kinase activity of the mammalian target of rapamycin. In Chapter 6, I generated conditional knockouts of Atg7, a required macroautophagy gene, in different populations of SPNs and find that macroautophagy plays cell-type specific roles in SPN physiology. In one subtype of SPNs, macroautophagy regulates intrinsic excitability via degradation of Kir2 channels, which is the first demonstration of macroautophagic control of neuronal excitability. Finally, in Chapter 7, I conclude with a general discussion, where I highlight themes in the molecular and circuit mechanisms of striatal maturation and their implication for neurodevelopmental disease.

The striatopallidal (indirect) pathway is considered as the main modulatory locus for the basal ganglia control of motor functions. According to the classic basal ganglia model, the striatopallidal pathway inhibits motor activity mainly via its projection to globus pallidus (GPe). However, striatopallidal medium spiny neurons (MSNs) form extensive feedback and lateral inhibitory networks via their collaterals. Thus, the striatopallidal pathway may control motor activity either through its projections onto GPe or through the striatal collaterals. To further define the circuit mechanism whereby the striatopallidal pathway controls motor activity, we have developed two new optogenetic transgenic mouse lines expressing channelrhodospin-2 (ChR2) or archaerhodopsin-3 (Arch) selectively in the striatopallidal neurons under the Adora2a gene promoter. Consistent with previous optogenetic studies, we found that ChR2 activation and Arch silencing of the striatopallidal neurons in dorsolateral striatum (DLS) suppressed and increased motor activity, respectively. However, contrary to the prediction from the classical model, we found that selective activation of the striatopallidal axon projections in GPe increased locomotor activity. Thus, light stimulation of MSN cell bodies and collaterals in DLS, versus stimulation in GPe axon projections, produced opposite motor responses. This led us to reassess the function of the striatopallidal collaterals and to test the hypothesis that the profuse projections and collaterization within the striatum may contribute to striatopallidal pathway control of motor activity. We found that ChR2-mediated activation of the striatopallidal neurons in DLS induced c-Fos expression in ChR2/GFP-positive MSNs. Conversely, Arch-mediated silencing of the striatopallidal neurons induced c-Fos expression and MAPK phosphorylation in Arch/GFP-negative MSNs surrounding the Arch/GFP-positive MSNs. This c-Fos/pMAPK expression pattern in MSNs is consistent with the suppression of GABA release in GFP-positive cells, resulting in the induction of c-Fos in GFP-negative cells having collateral connections with the GFP-positive cells. Together, our findings revealed a previously unrecognized complexity and novel motor control mechanism of the striatopallidal pathway: activation of striatopallidal projections to GPe increases motor activity while activation of striatopallidal neurons and collaterals in the DLS may contribute to motor suppression. These findings call for a revisit of GPe as a potential locus for deep brain stimulation in Parkinson’s disease.

Our brains are constantly integrating sensory and movement information as we navigate within our environment. Through millennium of evolution, human has learned to associate sensory information as cues to form motor plans. One example is that for almost all cultures, dance and music are tightly linked together an integrated form of performance and entertainment. However, it is yet unclear how our brain processes sensory information to coordinate a specific movement plan. In this Master Thesis, I investigated the brain region striatum that is known to play crucial roles in movement coordination and habit formation. To examine the effect of sensory inputs on locomotor behavior and striatal neural activities, we performed calcium imaging from the striatum of head fixed mice during voluntary locomotion. We injected AAV-syn-GCaMP7f virus into the striatum region to express the genetically encoded calcium sensor GCaMP7 in striatal neurons, and used a custom fluorescent microscope to measure intracellular calcium change from hundreds of labelled cells simultaneously. To examine how audio-visual stimulation impact movement behavior, we tracked mice’s speed using a spherical treadmill while applying sustained period of audio-visual stimulation at either 10 Hz or 145 Hz. To quantify the influence of audio-visual stimulation on different locomotion features, I developed several semi-automated algorithms in MATLAB to classify locomotion features, such as stationary periods, motion events, acceleration periods, deceleration period, and motion transitions. Furthermore, I optimized calcium imaging data processing pipelines and correlated striatal neural activity to various locomotion features. We found that audiovisual stimulation at both 10Hz and 145Hz increased locomotion, characterized as an increase in the percentage of time mice spent in motion events and a corresponding decrease in stationary period. However, only the145Hz stimulation, but not 10Hz stimulation promoted motion onset/offset transitions, and increased acceleration/deceleration probability. These results demonstrate that audiovisual stimulation can modulate locomotor activities in rodent models, and different patterns of audiovisual stimulation can selectively modulate different movement parameters. We also found that audiovisual stimulation increased the firing frequency of most responsive neurons regardless of mice’s movement state, suggesting that sensory information can further increase the excitability of some motion related striatal neurons both when the mice are moving and staying still. These results provide direct evidence that noninvasive audiovisual stimulation can modulate striatal neural activity, suggesting a basis for developing future noninvasive sensory stimulation based exercise and dance therapies for motor disorders that involve the striatum, such as Parkinson's disease. Future analysis of how audiovisual stimulation selectively modulates individual striatal neuron and striatal network during different aspects of movement will provide a more in-depth understanding of how sensory stimulation promote movement.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Drinking despite aversive consequences, or compulsive drinking, is a criterion of alcohol use disorder and can be modeled in rodents by adding bitter quinine into alcohol. Previous studies have shown the development of quinine-resistant ethanol (EtOH) drinking following a drinking history, but used animals that achieved relatively low blood alcohol levels. Selectively bred crossed High Alcohol Preferring (cHAP) mice average over 250 mg/dl during a two-bottle choice procedure. Compulsive drinking is hypothesized to be D1-receptor mediated via the dorsolateral striatum (DLS). We hypothesized that 2 weeks of free-choice EtOH would lead to quinine resistance and intra-DLS infusion of a D1-antagonist, SCH23390, would attenuate quinine-resistant alcohol drinking with no effect on non-conflicted EtOH drinking. Infusion of SCH23390 into the DMS would not affect quinine-resistant drinking. cHAP mice had guide cannulae placed in the DLS or DMS and had either two weeks (2W) of EtOH and water two-bottle choice or were EtOH naïve (0W). Mice were infused with either SCH23390 or saline immediately prior to one 10% EtOH and water test day and SCH23390 did not disturb alcohol drinking. The following day, we adulterated the EtOH with 0.32-g/L quinine (0.89 mM), and mice received the same microinjection. For animals cannulated in the DLS, 2W history group infused with saline drank more quinine-adulterated EtOH than the 0W saline mice. While SCH23390 infused 0W animals looked no different from saline treated mice, it attenuated quinine + EtOH intake in the 2W animals to the level of 0W animals. Interestingly, DMS-cannulated mice demonstrated similar behavior, with SCH23390 reducing EtOH + quinine consumption, while leaving EtOH consumption undisturbed. Quinine resistance following 2 weeks of free-choice EtOH consumption is attenuated by acute administration of a D1-antagonist in the DLS, suggesting that an alcohol history induces compulsivity and that dopamine contributes to this behavior. This is unique to compulsive drinking, as non-conflicted EtOH drinking was unaffected.